Данной статьей мы завершаем цикл публикаций, посвященный ключевым процессам, которые позволят черной металлургии снизить негативное влияние на окружающую среду и стать «углеродно-нейтральной». До этого были рассмотрены инновационные способы получения железа и выплавки стали, сегодня же сфокусируемся на технологиях разливки и прокатки. Посмотрим, чем отличается производство металлопродукции на литейно-прокатных модулях (ЛПМ) от традиционных схем изготовления, и оказывает ли совмещение подобных процессов благоприятное влияние на снижение экологической нагрузки.
История создания совмещенных металлургических агрегатов
Совмещенный агрегат – это оборудование, на котором последовательно выполняют несколько технологических операций. Использование подобных установок позволяет уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты, повысить скорость выполнения отдельных этапов изготовления продукции, уменьшить количество персонала, задействованного на этих работах. Примерами совмещенных агрегатов в металлургии могут служить литейно-прокатные комплексы, выпускающие сортовой и листовой горячекатаный прокат; линии травления и холодной прокатки; агрегаты непрерывного отжига, дрессировки, правки и резки и т.д.
Развитие технологий непрерывной разливки
История возникновения агрегатов, совместивших в себе разливку стали и ее горячую прокатку, неразрывно связана с развитием других металлургических процессов. До 50-х годов прошлого столетия цепочка производства горячекатаного стального проката включала в себя:
- Изготовление чугуна в доменных печах;
- Выплавку стали в кислородных конвертерах и мартенах;
- Разливку жидкой стали в изложницы с получением слитков;
- Нагрев и горячую прокатку слитков на обжимных станах с получением полуфабрикатов: слябов для последующего изготовления листа и рулонов, блюмов и квадратной заготовки для производства сортового проката и др.;
- Нагрев и обработку давлением горячекатаного проката.
Во второй половине прошлого столетия началось активное развитие технологий непрерывной разливки сплавов. Несмотря на то, что патенты на них научным деятелям начали выдавать еще в XIX веке, а первые промышленные образцы подобных агрегатов появились в 1930-х, массовое внедрение машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) началось гораздо позднее, с развитием конвертерного и электросталеплавильного процессов получения стали. Непрерывная разливка позволила исключить из вышеуказанной цепочки производства этапы получения слитка и его переката в полуфабрикаты. При этом выросла производительность, уменьшилось количество логистических операций, снизился объем металлических отходов (основным источником которых была головная и донная обрезь слитка), появилась возможность практически полной автоматизации процесса разливки и существенной экономии энергоресурсов. Непрерывную разливку начали повсеместно применять как в черной, так и в цветной металлургии.
Сущность непрерывной разливки заключается в том, что жидкую сталь (или другой металлический расплав) безостановочно заливают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор. Затвердевший по краям слиток с жидкой сердцевиной вытягивают из нижней части кристаллизатора, после чего он перемещается через зону вторичного охлаждения, где полностью затвердевает. Затем полученный полуфабрикат разрезают на требуемые длины. На машинах непрерывной разливки отливают блюмы, сортовую заготовку, слябы, круглую и полую круглую заготовку для производства труб, полуфабрикаты типа «собачья кость» для производства широкополочных балок.
По данным Всемирной Ассоциации Стали (англ. WSA – World Steel Association), в настоящее время более 97% всей жидкой стали, выпускаемой в мире, разливается именно на МНЛЗ. Кроме того, благодаря возникшему тандему дуговых сталеплавильных печей, работающих не металлоломе, и машин непрерывного литья в мировой металлургии возник целый новый производственный кластер – мини-заводы (англ. mini mill). Такие промышленные площадки обладали целым рядом преимуществ в сравнении с «классическими» металлургическими комбинатами-гигантами:
- Короткие сроки исполнения заказов;
- Компактность (отсутствие сложной инфраструктуры, возможность размещения максимально близко к потребителям);
- Экологичность (отсутствие этапов подготовки угля, изготовления кокса, выплавки чугуна и сопровождающих их процессов);
- Невысокие капитальные затраты на строительство и поддержание таких заводов.
Создание литейно-прокатных модулей
Мировая металлургическая наука не остановилась на достигнутом и продолжала работы по повышению эффективности и ресурсосбережению на сталеплавильном и прокатном переделах. Следующим действенным методом оптимизации стало объединение этих процессов в один совмещенный.
Идея объединения разливки и прокатки была высказана еще в XIX веке, но до промышленного применения дело не доходило до самых 1940-х. Тогда технология бесслитковой прокатки была применена для получения алюминиевой проволоки. Только с 70-х годов на предприятиях черной металлургии начали появляться первые сортовые литейно-прокатные модули - линии по разливке стали и горячей прокатке катанки и сортовых профилей простой формы (круг, квадрат и др.) в бунтах и прутках. Эффект от реализации подобных проектов заключался в сокращении количества технологических операций (в т.ч. исключения дополнительных нагревов и охлаждения полуфабриката), значительной экономии энергетических и трудовых ресурсов по сравнению с традиционной схемой получения полуфабрикатов и готового проката.
.jpg)
Разработку литейно-прокатных агрегатов, выпускающих стальную листовую продукцию, связывают как раз с развитием мини-заводов. «Мини-миллы» изначально проектировались под относительно небольшие производственные мощности (500-1500 тыс. т/год), в то время как классические толстолистовые и широкополосные станы были рентабельны при изготовлении не менее 2,5-3,0 млн. тонн проката в год. Достичь эффективного производства продукции в таких условиях удалось за счет разработки совмещенного агрегата, объединившего непрерывную разливку тонких слябов толщиной 50-70 мм и горячую прокатку полосы или листа.
Первый металлургический литейно-прокатный комплекс такого типа был введен в строй в 1989 году на заводе компании Nucor, США. Впоследствии литейно-прокатные агрегаты и модули стали массово возводить как в условиях мини-заводов с электросталеплавильным способом получения стали, так и на вертикально-интегрированных металлургических комбинатах с кислородно-конвертерными цехами. Сейчас проектированием и строительством этих агрегатов занимаются все ведущие инжиниринговые компании мира – Primetals Technologies, SMS, Danieli, Sumitomo и другие.
Особенности изготовления стальной продукции на ЛПМ
Литейно-прокатный комплекс с МНЛЗ
Рассмотрим структуру литейно-прокатного модуля на примере изготовления горячекатаного рулонного проката. Современный производственный участок такого ЛПМ включает в себя такие составляющие:
- Отделение по производству стали - один или несколько кислородно-конвертерных или электросталеплавильных агрегатов, оборудование для доводки стали (установки «ковш-печь», вакууматор);
- Тонкослябовые МНЛЗ (одна или несколько установок, в зависимости от требуемой производительности), опционально оснащенные узлами «мягкого обжатия», электромагнитного перемешивания и другим оборудованием для повышения качества полуфабриката;
- Промежуточное нагревательное устройство - методические, проходные роликовые и индукционные печи - для подогрева сляба перед прокаткой (опционально может устанавливаться после МНЛЗ или между черновой и чистовой группой клетей прокатного стана);
- Стан горячей прокатки рулонов (в зависимости от конструкции ЛПМ могут использоваться как непрерывные широкополосные станы, так и станы Стеккеля с печными моталками).
Устройство литейно-прокатных модулей позволяет изготавливать продукцию широкого марочного и размерного сортамента. В частности, они уже позволяют получать прокат толщиной от 0,6 мм, который является недоступным при использовании традиционных схем горячей прокатки. Кроме того, существует возможность модификации ЛПМ в зависимости от производственных потребностей, в том числе пристройки к ним оборудования для получения продукции более глубоких переделов (например, линий травления, прокатных станов и агрегатов непрерывного отжига, позволяющих выпускать холоднокатаную рулонную продукцию в едином с ЛПМ производственном потоке).
Снижение вредного воздействия на окружающую среду и более высокая энергоэффективность в данном случае связаны с полным или частичным исключением этапа нагрева полуфабриката перед прокаткой – горячие слябы сразу же после разливки поступают в линию стана. При схеме производства, когда МНЛЗ и прокатный стан разнесены по разным участкам завода, без нагрева не обойтись, а для этого нужны углеводороды (природный, доменный, коксовый газ или их сочетание), которые, как мы знаем, не способствуют уменьшению «углеродного следа» в черной металлургии.
Преимущества литейно-прокатных агрегатов в сравнении с традиционными способами изготовления металлопроката заключаются в снижении капитальных и текущих затрат, меньшем потреблении энергетических и материальных ресурсов, сокращении затрат на обслуживание оборудования и его эксплуатацию, уменьшении сроков выполнения заказов. Ключевыми условиями бесперебойного производства на ЛПМ являются:
- Обеспечение высокого качества отливаемых полуфабрикатов;
- Организация четкого согласования работы МНЛЗ и прокатного стана (как вариант, могут частично использоваться холодные заготовки со склада или "буферные" устройства для компенсации недлительных по времени нестыковок);
- Высокая культура производства и квалификация персонала.
В зависимости от разработчика технологии и особенностей реализации процесса, различают несколько модификаций таких литейно-прокатных технологий, среди которых наиболее известными являются CSP (от английского Compact Strip Production), ISP (In-line Strip Production), ESP (Endless Strip Production) и TSP (Tippins-Samsung Process).
Агрегаты валковой разливки-прокатки
Одной из разновидностей совмещенных устройств для производства полосовой продукции, стоящей несколько в стороне от модулей вышеописанной конфигурации, является оборудование для так называемой валковой разливки (его еще называют литейно-прокатным агрегатом с валковым кристаллизатором). В иностранной литературе такой процесс изготовления называют «twin-roll continuous casting».
Сущность технологии заключается в отсутствии этапа получения полуфабриката как такового - жидкая сталь сразу поступает на водоохлаждаемые вращающиеся медные валки и начинает кристаллизоваться на них в виде двух отдельных полос. Эти стальные оболочки смыкаются в точке контакта валков (ее еще называют «точкой поцелуя» 😊) и формируют одну сплошную полосу. После этого получившийся подкат направляется через прижимные ролики в клети прокатного стана, где уже обжимается до требуемых размеров (толщина обычно находится в диапазоне 0,7-2,0 мм).
Процесс валковой разливки, так же, как и технология ЛПМ с МНЛЗ, является эффективным решением при производстве плоского проката в черной и цветной металлургии и позволяет выпускать продукцию с сокращением сроков изготовления, энергетических, капитальных и операционных затрат, вредного влияния на экологию. Технология широко используется в алюминиевой промышленности (около 170 установок), а наиболее известный коммерческий агрегат для изготовления стальной рулонной продукции установлен на предприятии компании Nucor в США. Такой способ производства позволяет формировать уникальные структуры и свойства стали, недоступные при других методах разливки и прокатки, что обуславливает преимущественное применение полученной продукции в авиакосмической и автомобильной промышленности.
Главное, что я хочу сказать в заключение к данному циклу публикаций – это то, что металлурги уже давно следуют по пути оптимизации производственных процессов, снижения энергопотребления и нагрузки на окружающую среду. Внедряются новые методы внедоменного получения железа, коренным образом изменяются сталеплавильные технологии, развиваются процессы, которые совмещают различные этапы производства в один сокращенный цикл. Новые экологические ограничения лишь придадут еще большее ускорение на пути к «зеленой» металлургии, имеющей нулевой углеродный след.
